金舒宜 林曉明 林海鑫

（邵陽水文水資源勘測(cè)局 邵陽市 422000）

1 項(xiàng)目原由

流量測(cè)驗(yàn)是水文測(cè)站最主要的測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，湖南省除少部分大河站用ADCP 測(cè)流外，大部分測(cè)站采用纜道測(cè)流、測(cè)船測(cè)流，用的都是轉(zhuǎn)子式流速儀，測(cè)流離不開信號(hào)接收器。要計(jì)算出流速，一要有測(cè)流歷時(shí)，二要有信號(hào)個(gè)數(shù)，一般用馬表計(jì)時(shí)，人工計(jì)數(shù)，精度不高且很麻煩。為此，我們從測(cè)站工作需要的實(shí)際出發(fā)研制自動(dòng)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)測(cè)流信號(hào)接收器，以滿足測(cè)站需求。

2 研制開發(fā)

2.1 研制目標(biāo)

本信號(hào)接收器的命題為自動(dòng)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)測(cè)流信號(hào)接收器，那么既要將來自轉(zhuǎn)子式流速儀發(fā)出來的流速信號(hào)準(zhǔn)確無誤地接收到接收器中，以聲、光報(bào)警的方式告知操作人員，同時(shí)要具有測(cè)流歷時(shí)自動(dòng)計(jì)數(shù)、流速信號(hào)個(gè)數(shù)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。既由流速信號(hào)驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，又由流速信號(hào)驅(qū)動(dòng)結(jié)束計(jì)數(shù)。還要有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)供計(jì)時(shí)用。

接收信號(hào)靈敏度要高，抗干擾能力要強(qiáng)，適應(yīng)環(huán)境要廣。該信號(hào)接收器以適用于纜道（包括絕緣和不絕緣纜道）測(cè)流為主要目標(biāo)，也要適用于測(cè)船測(cè)流和涉水測(cè)流。不但要適用于旋漿式（20 轉(zhuǎn)一響）的流速儀，也要適用于旋杯式（一轉(zhuǎn)一響）的流速儀。不但要適用于纜道測(cè)流時(shí)，采用“無線”測(cè)流法測(cè)流，也要適用于測(cè)船測(cè)流時(shí)采用的有線和“無線”測(cè)流法測(cè)流。當(dāng)用“無線”測(cè)流時(shí)，對(duì)信號(hào)源不能有特別要求，既要能接收直流脈沖信號(hào)，又要能接收交流脈沖信號(hào)，即不管用何種信號(hào)源，采用何種方式傳輸，采用何種測(cè)驗(yàn)設(shè)備測(cè)流，均能準(zhǔn)確無誤地將信號(hào)收到室內(nèi)接收儀器中，并準(zhǔn)確顯示測(cè)點(diǎn)測(cè)流歷時(shí)和流速信號(hào)個(gè)數(shù)。

2.2 設(shè)計(jì)方案的選取

（1）信號(hào)源類型的選取。測(cè)流信號(hào)接收器的研制，首先要考慮選用什么信號(hào)源。纜道測(cè)流信號(hào)的產(chǎn)生方式，一般有直流脈沖信號(hào)、交流音頻脈沖信號(hào)和數(shù)據(jù)編碼調(diào)制信號(hào)等。從湖南省纜道測(cè)流中信號(hào)源的使用情況來看，多數(shù)站使用直流脈沖信號(hào)，少部分站使用交流音頻脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)編碼調(diào)制信號(hào)，因其信號(hào)源、信號(hào)接收器電路復(fù)雜，特別是信號(hào)源還受到體積的限制，湖南省基本不用。所以，本次研制的測(cè)流信號(hào)接收器，只要能接收到直流脈沖信號(hào)和交流音頻脈沖信號(hào)，就基本上適用于湖南省的纜道測(cè)流要求。不需要再去研制信號(hào)源。

（2）信號(hào)傳輸形式的選取。信號(hào)的傳輸形式，有有線傳輸、無線電波傳輸和“無線”傳輸三種?！盁o線”傳輸，并非真正意義上的無線，而是利用纜道循環(huán)索和水體構(gòu)成回路，由于水體不是線，所以習(xí)慣上稱“無線”傳輸。

從信號(hào)的三種傳輸形式中可以看出，有線傳輸，其信號(hào)輸出要通過鎧裝電纜或貫芯鋼絲繩，或在帶拉偏索纜道上，用循環(huán)索和拉偏索將信號(hào)傳回室內(nèi)，對(duì)纜道要求較高，使用可靠性也難以保證；無線電波傳輸，技術(shù)要求高，電路復(fù)雜，業(yè)余條件下不易實(shí)現(xiàn)；利用纜道循環(huán)索和水體構(gòu)成回路的“無線”傳輸，對(duì)纜道也無特別要求，是目前水文纜道中使用最多的一種傳輸方式。因此，本測(cè)流信號(hào)接收器信號(hào)傳輸方案采用“無線”傳輸。

（3）信號(hào)接收方案確定。以直流脈沖信號(hào)源為例，信號(hào)的接收原理見圖1。

圖1 “無線測(cè)流”原理示意圖

鋼絲繩與鉛魚體是絕緣的，水下電池筒電池負(fù)極接鋼絲繩到絞車，鋼絲繩同時(shí)又通過主索錨碇接入大地，電池正極通過流速儀接觸絲、鉛魚、水體、水下極板接至纜道房。在絞車與水下極板之間存在一個(gè)電阻，稱為入地電阻，見圖1 中Rd。當(dāng)流速儀接觸絲接通時(shí)，流速信號(hào)一部分通過鉛魚、R3 從正極直接流向負(fù)極，另一部分通過鉛魚、R4、水下極板、Rd從正極流到負(fù)極。在信號(hào)接收器中，將Rd 串入輸入電路中，當(dāng)有流速信號(hào)時(shí)，信號(hào)接收器輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖?，以?qū)動(dòng)后續(xù)電路工作，即完成了流速信號(hào)的接收。由于各站使用環(huán)境不同，上游來水不同以及土壤含水量不同等，各種影響因素的不同，Rd值也不盡相同，Rd 在信號(hào)回路的分壓也不相同。為了各測(cè)站在不同影響因素情況下測(cè)流信號(hào)接收器均能順利接收流速信號(hào)，在電壓比較電路中采用了基準(zhǔn)電壓可調(diào)的辦法，以消除各種影響因素，擴(kuò)大適用范圍。

（4）測(cè)流信號(hào)、測(cè)流歷時(shí)計(jì)數(shù)方案的確定。根據(jù)測(cè)流計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)的操作方法和規(guī)程以及測(cè)站測(cè)流方案，設(shè)置測(cè)流最短歷時(shí)100 s、60 s、30 s 三檔。通過微電腦自動(dòng)統(tǒng)計(jì)時(shí)間脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)達(dá)到最短測(cè)流歷時(shí)后，自動(dòng)發(fā)出指令控制計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)。當(dāng)操作人員認(rèn)為流速信號(hào)穩(wěn)定后，按一下開始按鈕，待第一個(gè)流速信號(hào)到來時(shí)即自動(dòng)開始計(jì)時(shí)，此時(shí)不計(jì)流速信號(hào)個(gè)數(shù)。只有第二個(gè)流速信號(hào)到來時(shí)才自動(dòng)開始計(jì)流速信號(hào)個(gè)數(shù)。此后兩組計(jì)數(shù)器同時(shí)工作，當(dāng)達(dá)到設(shè)置的測(cè)流最短歷時(shí)后，再來一個(gè)流速信號(hào)時(shí)，計(jì)入該信號(hào)后兩組計(jì)數(shù)器同時(shí)自動(dòng)停止工作。

綜上所述，設(shè)計(jì)方案為：信號(hào)源，采用直流脈沖信號(hào)和交流音頻脈沖信號(hào)；信號(hào)傳輸，采用纜道循環(huán)索和水體構(gòu)成回路的“無線”傳輸方式；信號(hào)接收，用電壓比較電路，將信號(hào)回路的入地電阻串入信號(hào)接收器的輸入電路，采用了基準(zhǔn)電壓可調(diào)的辦法，以消除影響因素，擴(kuò)大適用范圍。設(shè)置測(cè)流最短歷時(shí)100 s、60 s、30 s 三檔，通過微電腦自動(dòng)統(tǒng)計(jì)測(cè)流歷時(shí)和流速信號(hào)個(gè)數(shù)。

2.3 信號(hào)接收器的組成

信號(hào)接收器由信號(hào)輸入電路、抗干擾電路、電壓比較電路、聲光報(bào)警電路、計(jì)數(shù)信號(hào)輸出電路、時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路、最短歷時(shí)設(shè)置電路、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制電路、供電穩(wěn)壓電路、兩個(gè)LED 數(shù)碼管計(jì)數(shù)模塊等組成。方框圖見圖2。

2.4 信號(hào)接收器的特點(diǎn)

（1）入地電阻串入輸入電路，大大提高了流速信號(hào)的利用率，從而提高了靈敏度。

（2）采用負(fù)脈沖有效的方式，當(dāng)有流速信號(hào)時(shí)，輸出端也由高電平變?yōu)榈碗娖?，這種方式不但適用于“無線”測(cè)流也適用于有線測(cè)流。

圖2 信號(hào)接收器方框圖

（3）用電容充電時(shí)間決定輸出信號(hào)長度，以控制繼電器動(dòng)作，繼電器有兩組常開觸點(diǎn)，一組接通蜂鳴器發(fā)聲，一組給單片機(jī)提供輸入信號(hào)，互不干擾。蜂鳴器發(fā)聲時(shí)間約0.5 s，解決了“嘟”聲噪人問題。用LED 顯示流速儀接觸絲的接通狀態(tài)。即同時(shí)具有聲、光報(bào)警和計(jì)數(shù)脈沖輸出功能。

（4）將比較器基準(zhǔn)電壓設(shè)為可調(diào)，消除了各種綜合因素的影響，大大增強(qiáng)了適用范圍。

（5）采用微電腦作10 Hz 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖發(fā)生器，精度優(yōu)于0.1%，一致性好，適合批量生產(chǎn)。

（6）采用計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)控制器，可任意切換測(cè)流最短歷時(shí)100 s、60 s 或30 s。

（7）可將其嵌入纜道控制柜內(nèi)使用。也可盒裝移動(dòng)，用兩節(jié)鋰電池供電，循環(huán)充電，電池經(jīng)久耐用。

2.5 安裝與調(diào)試

自動(dòng)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)測(cè)流信號(hào)接收器已陸續(xù)安裝了10 臺(tái)，3 臺(tái)嵌入式，7 臺(tái)移動(dòng)式。邵陽站用于船上測(cè)流，其它站用于纜道測(cè)流。該信號(hào)接收器在安裝過程中沒有調(diào)試元件，只要元件良好，焊接無誤，一裝即成。第一次測(cè)流時(shí)要調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，以適應(yīng)測(cè)站環(huán)境，以后也不需要經(jīng)常調(diào)節(jié)。

3 應(yīng)用實(shí)例

該套自動(dòng)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)測(cè)流信號(hào)接收器已在邵陽水文局邵陽、茅坪、紅巖、洞口、隆回5 個(gè)站使用1年有余，普遍反映使用簡單，操作方便，穩(wěn)定可靠。

[1] 長江流域規(guī)劃辦公室.水文纜道（第一版）[M].北京：水利電力出版社，1978.

[2] 王喜斌，孫東輝，李葉紫，等.MCS-51 單片機(jī)應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.